کاربرد عنصر آلومینیوم چیست؟ خواص و ویژگی عنصر آلومینیوم
عنصر آلومینیوم از عناصر شیمیایی جدول تناوبی بوده و با نماد شیمیایی Al شناخته می شود. عدد اتمی عنصر آلومینیوم ۱۳ و عدد جرمی این عنصر ۲۶ است. خواص عنصر آلومینیوم موجب شده تا میل زیادی به اکسیژن داشته باشد. عنصر آلومینیوم در گروه ۱۳ و تناوب سوم جدول مندلیف جای گرفته است. از خواص فیزیکی عنصر آلومینیم می‌توان به رنگ نقره‌ای آن و چکش‌خواریش اشاره نمود. رسانایی خوب جریان الکتریسیته و گرما و مقاومت در برابر خوردگی از دیگر خواص عنصر آلومینیوم بشمار می‌آید. برای تولید عنصر آلومینیوم از فرایند هال استفاده می‌شود. مدل اتمی بور برای عنصر آلومینیوم وجود داشته و در ادامه به آن اشاره می شود. کاربرد عنصر آلومینیوم در صنعت به دلیل خواص شگفت انگیز این عنصر بسیار زیاد است. ایزوتوپ عنصر آلومینیوم نیز شناخته شده که در ادامه بررسی می گردد.
نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به بررسی عناصر جدول تناوبی مندلیف پرداخته است. مانند: بریلیوم، منیزیم، اکسیژن، نیتروژن و… . در ادامه با بررسی خواص و ویژگی های عنصر آلومینیوم و مقدار واکنش پذیری آن با ما همراه باشید.
پیشینه عنصر آلومینیوم
اولین کاربرد این عنصر به قرن پنج قبل از میلاد برمی گردد. در یونان برای تهیه و ساخت ابزارآلات جنگی از این عنصر استفاده می‌شده است. البته مصرف عنصر آلومینیوم در آن زمان به صورت خالص نبود. زیرا وسایل و تجهیزات لازم برای استخراج آلومینیوم خالص را در اختیار نداشتند. فیزیک دانان و شیمی دانان برای اولین بار در سال ۱۸۲۴ توانستند این عنصر را به شکل خالص استخراج و مورد استفاده قرار دهند. این فلز توسط هانس کریستین ارستد شیمیدان و فیزیکدان دانمارکی به دست آمد. فردریک وهلر هم دانشمندی بود که به‌طورکلی به فلز آلومینیوم معتقد بود. در روم و یونان باستان از این فلز به عنوان ثابت‌کننده رنگ در رنگرزی و بند‌آورنده خون زخم ها استفاده می شد. هنوز هم به‌عنوان داروی بند آورنده خون مورد استفاده قرار می گیرد.
ویژگی عنصر آلومینیوم عنصر شماره ۱۳ جدول تناوبی
عنصر آلومینیوم فلزی نرم و سبک اما قوی و مستحکم است. رنگ ظاهری این عنصر نقره‌ای – خاکستری مات است. چون به سرعت با اکسیژن واکنش می دهد، لایه نازک اکسایش در اثر برخورد با هوا در سطح آن تشکیل می‌شود. این ماده در برابر خوردگی بسیار مقاوم است. چکش خوار، انعطاف پذیر بوده و به راحتی خم می‌شود. این عنصر غیر مغناطیسی و بدون جرقه است. این فلز دومین فلز چکش خوار و ششمین فلز انعطاف‌پذیر در جدول تناوبی مندلیف است. آرایش الکترونی عنصر آلومینیوم به صورت [Ne] 3s۲ ۳p۱ است. در شرایط STP این ماده در فاز جامد قرار دارد. نقطه ذوب عنصر آلومینیوم ۶۶۰.۳۲ درجه سانتی گراد و نقطه جوش آن ۲۴۷۰ درجه سانتی گراد است.
چگالی عنصر آلومینیوم ۲.۷ گرم بر سانتی متر مکعب معرفی شده است. این ماده واکنش پذیری زیادی با عنصر اکسیژن داراست. نماد یا نشان شیمیایی این عنصر در جدول تناوبی Al بوده و با عدد اتمی ۱۳ به عنوان عنصر شماره ۱۳ جدول تناوبی شناخته می شود. مدل اتمی بور برای عنصر آلومینیوم در ادامه آمده است.
خواص عنصر آلومینیوم
جرم حجمی کوچک و مقاومت به خوردگی موجب شده تا آلومینیوم خالص تجاری در صنعت درب و پنجره سازی کاربرد زیادی داشته باشد. کاربرد این ماده به واسطه خواص فیزیکی مانند هدایت الکتریکی و حرارتی و مقاومت خوردگی خوب توجیه می شود. از طرفی چکش خواری و سیالیت عنصر آلومینیوم و آلیاژهای آن بسیار خوب است. بدین صورت این ماده را برای کاربرد در صنعت فوق العاده می کند. خواص مختلف این ماده در ادامه به اختصار آماده است.
قابلیت هدایت الکتریکی
به طور قابل ملاحظه ای مقاومت الکتریکی عنصر آلومینیوم بالاتر از مقاومت الکتریکی عنصر مس است. اما جرم حجمی آن در مقابل مس کم است. درواقع مقاومت یک سیم آلومینیومی که جرم آن یک گرم و طول آن یک متر باشد نصف مقاومت الکتریکی سیم مشابه مسی است. بنابراین عنصر آلومینیوم بیش از پیش به عنوان هادی الکتریسیته به ویژه برای خطوط فشار قوی به کار می رود. ضعف مقاومت مکانیکی نیز به وسیله یک محور فولادی برطرف می‌گردد.
قابلیت هدایت حرارتی
این عنصر هدایت حرارتی زیاد و وزن سبکی دارد. بنابراین کاربرد عنصر آلومینیم در صنعت بسیار خواهد بود. از کاربرد این ماده می‌توان به ساخت دیگ و ظروف مشابه و ماهیتابه برای مصارف خانگی اشاره نمود. کاربرد این ماده در مبدل‌های حرارتی، دستگاه‌های خنک‌کننده، سمبه ها و بستر برای موتورهای درون سوز سبک تیز وجود دارد. ضریب انبساط زیاد عنصر آلومینیوم و نقطه ذوب کم آن، کاربرد این ماده به عنوان رسانای حرارت را محدود می کند. در اغلب اوقات در کاربرد این ماده درجه حرارت از ۲۰۰ درجه سانتی گراد تجاوز نمی کند.
مقاومت در برابر خوردگی
این عنصر به سرعت اکسید می شود. اما در برابر خوردگی عنصری بسیار مقاوم است. این ماده توسط یک لایه نازک، متراکم و چسبنده ی اکسید آلومینیوم محافظت می شود. البته مقاومت خوردگی آلومینیوم با افزودن عناصر آلیاژی کاهش می یابد. در برخی مواقع حتی لازم است بعضی از آلیاژهای آلومینیوم از طریق پوشش ورقه نازکی از آلومینیوم خالص تجارتی به روش نورد محافظت شوند. توجه شود که در مجموعه های فلزی از تماس آلومینیوم با فلزات نجیب تر از آن باید جلوگیری شود.
این ماده با مس و آهن تولید کوپل گالوانیزه می کند. در اینصورت قشر آلومینیوم محافظ خراب شده و به این ترتیب خوردگی شدید آن رخ می دهد. کاربرد عنصر آلومینیوم به عنوان روکش برای آهن نیز صورت می گیرد. زیرا مقاومت به خوردگی آهن را زیاد می کند.
نکات مهم در مورد عنصر آلومینیوم
- سبک بودن وزن
- وزن مخصوص کم این ماده
- غیر مغناطیس بودن آن
- مقاومت بالا در برابر خوردگی
- نوع خالص این ماده فاقد استحکام و بسیار انعطاف پذیر است.
- این عنصر نسبت استحکام به وزن بالایی دارد. استحکام بالا و سبکی وزن، تنها در چند ماده در طبیعت وجود دارد. جالب است بدانید استحکام بالای بعضی آلیاژ های آلومینیوم حتی قابل مقایسه با استحکام فولاد ها است.
- این ماده قابلیت شکل پذیری بالایی دارد. این ماده را با روش های مختلف شکل دادن فلزات می توان تغییر فرم داد.
- قابلیت اتصال به روش های جوشکاری، لحیم کاری، چسب کاری و پرچ کاری در این ماده وجود دارد.
- این عنصر خاصیت ارتجاعی بالایی دارد. به طوری که برخی از آلیاژ های آلومینیوم اگر در محدوده خاصی تحت تاثیر نیرو یا ضربه قرار گیرند، پس از برداشتن نیرو دوباره حالت اولیه خود را به دست می آورند.
- این ماده هدایت حرارتی بالایی دارد. بعد از نقره، مس و طلا رسانا ترین فلز، عنصر آلومینیوم است. این خاصیت به استفاده از آن در ساخت ظروف آشپزخانه، مبدل های حرارتی آبی و روغنی منجر شده است.
- آلومینیوم عنصری غیر سمی است. آلیاژ های جامد آلومینیوم که دارای لایه اکسیدی سطحی هستند غیر سمی اند.
- هدایت الکتریکی مناسبی دارد. در حجم مساوی، آلومینیم نیز مانند مس حدود ۶۲ درصد الکتریسته را از خود عبور می دهد. پس از نقره، مس و طلا بالاترین هدایت الکتریکی مربوط به این ماده است.
- این ماده قابلیت بازتاب نور دارد. این ماده می تواند بیش از ۸۰ درصد نور مریی را بازتاب دهد.
- عدم جرقه زایی از خواص مهم این ماده است. عنصر آلومینیم با وجود اینکه قابلیت هدایت الکتریکی بسیار بالایی دارد. اما جرقه تولید نمی کند.
کاربرد عنصر آلومینیم
پیش تر به خواص و ویژگی عنصر آلومینیوم اشاره شد. در ادامه به کاربرد عنصر آلومینیوم به دلیل خواص بی شمارش اشاره خواهد شد.
کاربرد در قوطی ها و بسته بندی ها: کاربرد عنصر آلومینیوم در بدنه و سر و ته قوطی های کنسرو، مهم ترین استفاده آلومینیوم در بخش بسته بندی صنعت است. درواقع ۹۰ درصد این صنعت را تشکیل می دهد.
کاربرد در متالوژی: این ماده به همراه درصد کمی سیلیس، روی منگنز، منیزیم، مس و یا لیتیوم، آلیاژهای مقاومی در برابر فرسودگی، و زنگ زدن را تشکیل می‌دهد. این آلیاژ ها برای بسته بندی، ظروف، کالاهای الکتریکی، مصالح ساختمانی، هوا فضا و اتومبیل سازی کاربرد دارند.
کاربرد عنصر آلومینیوم در صنایع حمل و نقل
مقاومت بالا به نسبت وزن کم در این ماده موجب شده تا از آن در ساخت قسمت های چرخشی قطارها استفاده شود. این قابلیت به قطار اجازه می دهد تا سوخت و بار بیشتری را حمل کند.
ریل هایی از جنس آلومینیم می توانند در انواع سیستم ریل مغناطیسی گسترش یابند.
برای ساخت واگن های حمل بار و مسافر لکوموتیو ها و مترو می توان از این ماده استفاده کرد.
یک عامل اساسی برای کاهش وزن استفاده از این عنصر است. این کاهش وزن، افزایش بهره وری و مصرف کمتر سوخت در خودرو را فراهم می کند.
تولید عنصر آلومینیوم با فرایند هال
تولید اولیه این ماده با فرآیند هال شامل چهار مرحله اصلی است که در ادامه اشاره شده است. این روش یکی از روش های معروف تولید این ماده بشمار می آید.
- مرحله اول جداسازی سنگ معدن بوکسیت است.
- مرحله دوم خالص سازی بوکسیت به آلومینیوم اکسید خالص (آلومینا) است.
- مرحله سوم سنتز کریولیت (Na3AlF6) و آلومینیوم فلوراید است که به منظور استفاده از فرآیند کاهش الکترولیتی صورت می گیرد.
- مرحله چهارم نیز کاهش الکترولیتی آلومینیوم اکسید به آلومینیوم است.
انواع آلیاژ عنصر آلومینیوم
آلیاژ های مختلفی از عنصر آلومینیوم در بسیاری از صنایع کاربرد دارد. از مهم ترین آلیاژ های عنصر آلومینیم می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- آلیاژهای کار شده
از مهم ترین و اصلی ترین آلیاژ های این عنصر، آلیاژهای کار شده هستند. این آلیاژ ها ویژگی های بسیار بی نظیری مانند: رسانایی الکتریکی، رسانایی حرارتی، مقاومت به خوردگی، کارپذیری، قابلیت بازیافت، سهولت اتصال و… دارند. از مهم ترین آلیاژهای کار شده می توان به آلیاژ آلومینیوم و مس، آلیاژ آلومینیوم و منیزیم اشاره نمود.
- آلیاژ های ریخته گری
مهم ترین آلیاژ های ریخته گری آلیاژ آلومینیوم سیلیسیم دار و مس هستند. این نوع از آلیاژ ها ویژگی هایی نظیر: پرداخت کار، استحکام، سهولت ریخته گری و… دارند.
ایزوتوپ عنصر آلومینیوم
عنصر آلومینیم دارای ۹ ایزوتوپ است. عمده‌ترین آن ها Al-23 تا Al-30 مرتب شده‌اند. تنها Al-27 ایزوتوپ پایدار این عنصر است که به طور طبیعی وجود دارد. AL-26 نیز ایزوتوپ رادیو اکتیو عنصر آلومینیوم است که به‌طور طبیعی وجود دارند. AL-26 از پراشیدن ذرات اتم آرگون در اتمسفر تولید می‌شود که در نتیجه پروتون های اشعه کیهانی رخ می‌دهد. کاربرد ایزوتوپ آلومینیوم در تعیین قدمت: رسوبات دریایی، خاستگاه منگنز، یخ های دوران یخبندان، کوارتز در صخره ها و شهاب سنگ ها وجود دارد.
کاربرد Al-26 اولین بار در مطالعات ماه و شهاب‌سنگ ها صورت گرفت. اجزا شهاب سنگ ها در مدت سفر در فضا در معرض شدید بمباران اشعه کیهانی قرار می گیرند. این رخداد باعث تولید آلومینیوم ۲۷ پایدار می‌شود. بعد از سقوط شهاب سنگ ها روی زمین، اتمسفر مانع از تولید AL-26 بیشتر از قطعات شهاب سنگ ها می‌شود و بنابراین واپاشی آن در تعیین عمر زمینی آن ها موثر است.
تحقیقات نشان داده است که AL-26 در زمان شکل‌گیری سیاره زمین به مقدار نسبتا فراوانی وجود داشته است. انرژی آزاد شده در نتیجه واپاشی AL-26، ذوب شدن مجدد و جدایی سیارک ها بعد از شکل گیری آن‌ها را ۲-۴ میلیارد سال پیش در پی داشته است.
هشدار ها در مصرف این ماده
یکی از معدود عناصر فراوانی که ظاهرا هیچ فعالیت موثری در سلول های زنده ندارد این عنصر است. اما باید گفته شود که درصد کمی از مردم ممکن است به آن حساسیت داشته باشند. در این افراد تماس از هر نوع از آن موجب التهاب پوستی می‌شود.
مصرف دارو های بند آورنده خون و مواد ضد عرق نیز ممکن است باعث ایجاد جوش های خارش آور و سو هاضمه شوند.
عدم جذب مواد غذایی مفید از غذا های پخته شده در ظروف آلومینیومی از دیگر هشدار ها در این رابطه است.
تهوع و سایر علائم مسمومیت نیز ممکن است رخ دهد.
در افرادی که به این ماده حساسیت ندارند، Al مانند فلزات سنگین سمی نیست. اما در صورت مصرف زیاد ممکن است علائمی از مسمومیت دیده شود.
استفاده از ظروف غذای آلومینیومی به خاطر مقاومت در برابر زنگ زدگی و خاصیت هدایت گرمایی بالای آن ها بسیار رایج است. همچنین علامتی در مورد ایجاد مسمومیت آن ها نیز دیده نشده است. اما احتمال ارتباط آلومینیوم با بیماری آلزایمر مطرح شده است، گرچه اخیرا این فرضیه رد شده است.
مصرف زیاد داروهای ضد اسید و مواد ضد عرق که حاوی ترکیبات آلومینیومی هستند، می توانند احتمال مسمومیت با این ماده را بیشتر کنند.
یک دیدگاه